柱塞火焰热喷涂工艺的探究与实践
李新勇,赵志平
兰州工业高等专科学校学报
摘要:针对石油钻井作业中的柱塞零件工作环境恶劣,寿命短的特点,为改进产品的性能,延长工件的使用寿命,对柱塞的生产工艺进行了改进研究.采用火焰热喷涂技术,设计、研制了喷涂设备,优化了工艺参数,从而提高了产品的综合性能,延长了产品使用寿命,同时降低了生产成本,取得了良好的使用效果及经济效益.
关 键 词:火焰热喷涂;生产工艺;技术实践
如图1所示柱塞零件是石油工业修复钻井时采用的压裂车中的易损耗配件,其工作环境差,工作压力高(约为105 MPa),要求零件必须具有承受高压、高强度、耐磨损、耐腐蚀、表面粗糙度小(保证可靠密封)、使用寿命长等性能要求.为了达到以上的性能要求,以往采用40Cr表面镀铬工艺措施,寿命仅为3~5天.其原因是由于零件表面受腐蚀、氧化、磨损以及热疲劳破坏等,致使零件表面破损,以至最后损坏.将柱塞材料改为不锈钢,使寿命延长到了10天左右,但成本较高,仍达不到用户的要求.为此,笔者通过不断的研究与实践,采用涂层重熔火焰粉末热喷涂工艺技术对表面实行保护,可使部件寿命提高5~8倍,同时比采用整体材料既经济又方便。
1 火焰热喷涂技术的机理和应用范围
1.1 火焰热喷涂的机理及特点[1]
火焰热喷涂是最早得到应用的一种热喷涂方法.火焰热喷涂主要是利用氧-乙炔燃烧产生高温火焰,将喷涂材料熔融,再利用周围压缩空气使熔融材料喷射黏附于基材表面.由于燃烧气体的温度限制,喷涂材料的熔点一般低于2 500℃.喷涂材料按其形状分有线材、粉末;按成份分为金属、非金属、复合材料等.其中粉末类喷涂材料常见的有3类:一类是镍基合金粉末,熔点为980~1 100℃;一类是钴基合金粉末,熔点为1 050~1 150℃;一类是铁基合金粉末,熔点为1 000~1 200℃.
1.2 火焰热喷涂的应用范围[2]
火焰热喷涂具有设备简单,操作容易,工艺成熟,投资少等优点,因此在工业上被广泛应用.
1)防腐蚀:利用热喷涂喷铝和锌,以保护金属骨架的腐蚀.例如大型水闸的钢闸门、高压输电电缆桥架、公路及铁路桥梁、化工厂大罐等防腐蚀.
2)恢复磨损尺寸:各种大小设备经过一段时间运转后都要出现磨损,磨损严重就不能继续使用,可通过喷涂恢复尺寸.例如汽车曲轴、电机轴、绞车轴等.
3)耐磨损:在易磨损部位喷涂镍基合金等耐磨材料,从而提高设备使用寿命.例如:风机叶轮、曲轴、凸轮、导轨、模具、柱塞等.
2 柱塞火焰热喷涂工艺技术实践[3]
2.1 材质选择
基材选用合金结构钢40Cr,其价格低廉,经调质处理后,具有良好的综合机械性能,如低温冲击性及低的缺口敏感性,并有较高的抗疲劳强度.表面涂层材料选用镍基合金Ni60A,这是一种自熔性合金粉末,在喷焊时不需要外加焊剂,在重熔时合金成份具有脱氧、造渣的性能,可改善润湿性能,与基材形成良好冶金结合的低熔点合金.其熔点为1 000℃,以保证重熔时只有喷焊层熔融,而基材不熔化.Ni60A具有良好的固态流动性,其颗粒为球形,颗粒度为200目左右.另外还具有耐磨损、耐腐蚀、抗热冲击等性能,适合于产品性能的要求.
2.2 设备选用
由于火焰热喷涂对设备的要求不高,为了降低生产成本,自制了一套简单设备,实现零件的匀速低速转动及火焰喷射装置的匀速往复运动,保证喷涂面速度(基体表面与喷枪的相对速度)为20 m/min左右,以防止产生局部热点和表面氧化.
2.3 热源
热源为氧气-乙炔火焰,氧气与乙炔的比例为1:1的中性火焰,温度约为3 050℃.
2.4 喷焊工艺过程
1)喷前准备
包括工件预加工和清洗等工序.根据零件图纸尺寸,对工件进行粗精加工,对需要喷焊的部位,预留涂层厚度(根据零件实际尺寸,涂层厚度为单边0.6 mm左右).工件在喷前要仔细清洗,去除一切油污、锈斑、氧化皮等,使工件表面呈金属光泽.
2)工件预热
喷焊时工件的预热温度较高,以减少喷焊层与基材间的应力,并可改善合金粉末熔融后对基材的润湿性,根据实际情况选择预热温度为300℃左右.
3)喷焊作业
采用二步法工艺,即喷涂过程和重熔过程分两步进行.首先对工件进行整体预热,预热保护层后,对工件表面进行粗糙处理,以提高结合强度,同时去除氧化层,然后继续加热至500℃左右再喷粉,喷涂距离约为150 mm,进行多次的薄层喷粉,每层厚度不超过0.1 mm.达到预计厚度时,停止喷粉,立即进行重熔.重熔时把喷在工件表面的合金粉末加热熔融,使原来疏松多孔呈机械结合的喷涂层变成致密的与基材呈冶金结合的喷涂层,采用大功率的柔软火焰,气体压力不宜过高,以防止火焰速度过快、吹力过大、把熔融表面吹开,引起喷焊层的厚薄不均匀.另外,重熔后喷焊层会收缩,收缩量视各种合金粉有所不同,一般约为20%~25%,喷粉时应考虑这个收缩量来控制喷涂层厚度.
4)喷后处理
经喷焊重熔处理的工件,由于表面温度高,则视其材质和形状的不同,对其进行冷却处理,以防止产生裂纹和变形.对实际工件来讲,由于其为空心零件,因而重熔完毕后不能立即停止转动,否则会因自重而产生弯曲变形,需空转10~20 min,待工件表面温度降至300~400℃,然后放入石棉粉末中保温10~15 h,使其完全冷却.
2.5 后续加工
由于喷焊后表面硬度较高(HRC≥65),因而柱塞的后续加工主要采用磨削加工.其工艺特点为:
1)磨削加工时消耗功率大,产生的热量大,而涂层导热性差,磨削温度高,如不进行充分冷却,容易烧伤工件表面;
2)由于涂层硬度高,磨削时径向力较大,同时由于涂层内部存在硬质点,使磨削力发生变化,在磨削时易产生振动,影响加工精度和表面粗糙度,限制了磨削用量的提高;
3)喷涂层脆性大,抗拉强度较低,导热性差.在磨削热应力作用下易产生裂纹.
针对以上情况,在磨削时对砂轮的选择就显得十分重要.首先采用金刚石砂轮进行粗加工,选用较小的磨削用量,进行充分的冷却,以使切削轻快,不致过热.然后用粒度较小(如80#)的软棕刚玉砂轮进行光整、抛光加工以达到零件尺寸精度及表面粗糙度要求.
3 结束语
目前,随着对热喷涂机理的进一步研究及新型喷涂设备和喷涂材料的开发与利用,各种标准规范的制定均对热喷涂技术的工艺与工艺参数加强了控制.同时随着计算机技术的发展,热喷涂技术已经步入了先进材料的研究领域,并且在高新技术产业和传统工艺技术改造中获得了广泛的应用,因而热喷涂技术的应用范围将会不断地扩大.
参考文献略
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